一种实用的BOOST电路(UC3842).pdf

一种实用的 BOOST 电路 一种实用的 BOOST 电路 0 引言引言 在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计 对于较大的功率输出 如 70W 以上的 DC DC 升压电路 由于专用升压芯片内部开关管的限制 难于做到大功率升压变换 而且芯 片的价格昂贵 在实际应用时受到很大限制 考虑到 Boost 升压结构外接开关管选择余地 很大 选择合适的控制芯片 便可设计出大功率输出的 DC DC 升压电路 UC3S42 是一种电流型脉宽调制电源芯片 价格低廉 广泛应用于电子信息设备的电源 电路设计 常用作隔离回扫式开关电源的控制电路 根据 UC3842 的功能特点 结合 Boos t 拓扑结构 完全可设计成电流型控制的升压 DC DC 电路 且外接元器件少 控制灵活 成本低 输出功率容易做到 100W 以上 具有其他专用芯片难以实现的功能 1 UC3842 芯片的特点芯片的特点 UC3842 工作电压为 16 30V 工作电流约 15mA 芯片内有一个频率可设置的振荡器 一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构 特别适用于 MoSFET 的驱动 一个固定温 度补偿的基准电压和高增益误差放大器 电流传感器 具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐 个脉冲限流控制的 PWM 比较器 最大占空比可达 100 另外 具有内部保护功能 如滞 后式欠压锁定 可控制的输出死区时间等 由 UC3842 设计的 DC DC 升压电路属于电流型控制 电路中直接用误差信号控制电感 峰值电流 然后间接地控制 PWM 脉冲宽度 这种电流型控制电路的主要特点是 1 输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化 电感电流自动调整而不需要误差放大器输 出变化 改善了瞬态电压调整率 2 电流型控制检测电感电流和开关电流 并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比 较 控制 PWM 脉宽 由于电感电流随误差信号的变化而变化 从而更容易设置控制环路 改善了线性调整率 3 简化了限流电路 在保证电源工作可靠性的同时 电流限制使电感和开关管更有效地 工作 4 电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿 因为 平均电感电流大小是决定 输出大小的因素 在占空比不同的情况下 峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相 对应 特别是占空比 50 的不稳定性 存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差 即 使占空比 50 也可能发生高频次谐波振荡 因而需要斜坡补偿 使峰值电感电流与平均 电感电流变化相一致 但是 同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度 2 Boost 电路结构及特性分析电路结构及特性分析 2 1 由由 UC3842 作为控制的作为控制的 Boost 电路结构电路结构 由 UC3842 控制的 Boost 拓扑结构及电路分别如图 1 和图 2 所示 图 2 中输入电压 Vi 16 20V 既供给芯片 又供给升压变换 开关管以 UC3842 设定的 频率周期开闭 使电感 L 储存能量并释放能量 当开关管导通时 电感以 Vi L 的速度充电 把能量储存在 L 中 当开关截止时 L 产生反向感应电压 通过二极管 D 把储存的电能以 V o Vi L 的速度释放到输出电容器 C2 中 输出电压由传递的能量多少来控制 而传递能量 的多少通过电感电流的峰值来控制 整个稳压过程由二个闭环来控制 即 闭环 1 输出电压通过取样后反馈给误差放大器 用于同放大器内部的 2 5V 基准电压比 较后产生误差电压 误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化 闭环 2 Rs 为开关管源极到公共端间的电流检测电阻 开关管导通期间流经电感 L 的电 流在 Rs 上产生的电压送至 PwM 比较器同相输入端 与误差电压进行比较后控制调制脉冲 的脉宽 从而保持稳定的输出电压 误差信号实际控制着峰值电感电流 2 2 Boost 升压结构特性分析升压结构特性分析 Boost 升压电路 可以工作在电流断续工作模式 DCM 和电流连续工作模式 CCM CC M 工作模式适合大功率输出电路 考虑到负载达到 lO 以上时 电感电流需保持连续状态 因此 按 CCM 工作模式来进行特性分析 Boost 拓扑结构升压电路基本波形如图 3 所示 ton 时 开关管 S 为导通状态 二极管 D 处于截止状态 流经电感 L 和开关管的电流逐 渐增大 电感 L 两端的电压为 Vi 考虑到开关管 S 漏极对公共端的导通压降 Vs 即为 Vi Vs ton 时通过 L 的电流增加部分 ILon 满足式 1 式中 Vs 为开关管导通时的压降和电流取样电阻 Rs 上的压降之和 约 0 6 0 9V toff 时 开关管 S 截止 二极管 D 处于导通状态 储存在电感 L 中的能量提供给输出 流经电感 L 和二极管 D 的电流处于减少状态 设二极管 D 的正向电压为 Vf toff 时 电感 L 两端的电压为 Vo Vf Vi 电流的减少部分 ILoff 满足式 2 式中 Vf 为整流二极管正向压降 快恢复二极管约 0 8V 肖特基二极管约 0 5V 在电路稳定状态下 即从电流连续后到最大输出时 ILon ILoFf 由式 1 和 2 可得 如果忽略电感损耗 电感输入功率等于输出功率 即 由式 4 和式 5 得电感器平均电流 同时由式 1 得电感器电流纹波 式中 f 为开关频率 为保证电流连续 电感电流应满足 考虑到式 6 式 7 和式 8 可得到满足电流连续情况下的电感值为 另外 由 Boost 升压电路结构可知 开关管电流峰值 Is max 二极管电流峰值 Id max 电感器电流峰值 ILP 3 样机电路设计样机电路设计 样机的电路图如图 2 所示 是基于 UC3842 控制的升压式 DC DC 变换器 电路的技术 指标为 输入 Vi 18V 输出 Vo 40V Io 2A 频率 f 49 kHz 输出纹波噪声 1 根据技术指标要求 结合 Boost 电路结构的定性分析 对图 2 的样机电路设计与关键参 数的选择进行具体的说明 3 1 储能电感储能电感 L 根据输入电压和输出电压确定最大占空比 由式 4 得 当输出最大负载时至少应满足电路工作在 CCM 模式下 即必须满足式 9 同时考虑在 10 额定负载以上电流连续的情况 实际设计时可以假设电路在额定输出 时 电感纹波电流为平均电流的 20 30 因增加 IL 可以减小电感 L 但为不增加输出 纹波电压而须增大输出电容 C2 取 30 为平衡点 即 L 可选用电感量为 140 200 H 且通过 5A 以上电流不会饱和的电感器 电感的设计包括 磁芯材料 尺寸 型号选择及绕组匝数计算 线径选用等 电路工作时重要的是避免电感饱 和 温升过高 磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大 材质好的磁芯如环形铁粉磁 芯 承受峰值电流能力较强 EMI 低 而选用线径大的导线绕制电感 能有效降低电感的温 升 3 2 输出电压取样电阻输出电压取样电阻 R1 R2 因 UC3842 的脚 2 为误差放大器反向输入端 芯片内正向输入端为基准 2 5v 可知输出 电压 Vo 2 5 1 R1 R2 根据输出电压可确定取样电阻 R1 R2 的取值 由于储能电感的作用 在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流 在检测电阻 Rs 上 产生一个尖峰脉冲 为防止造成 UC3842 的误动作 在 Rs 取样点到 UC3842 的脚 3 间加 入 R C 滤波电路 R C 时间常数约等于电流尖峰的持续时间 3 3 开关管开关管 S 开关管的电流峰值由式 10 得 Iv max ILP 5 11A 开关管的耐压由式 11 得 Vds off Vo Vf 40 0 8 40 8V 按 20 的余量 可选用 6A 50V 以上的开关管 为使温升较低 应选用 Rds 较小的 M OS 开关管 要考虑的是通态电阻 Rds 会随 PN 结温度 T1 的升高而增大 图 4 为实测开关管的开关电压波形和电流瞬态波形图 3 4 输出二极管输出二极管 D 和输出电容器和输出电容器 C2 升压电路中输出二极管 D 必须承受和输出电压值相等的反向电压 并传导负载所需的最 大电流 二极管的峰值电流 Id max ILP 5 11A 本电路可选用 6A 50V 以上的快恢复二 极管 若采用正向压降低的肖特基二极管 整个电路的效率将得到提高 输出电容 C2 的选定取决于对输出纹波电压的要求 纹波电压与电容的等效串联电阻 ES R 有关 电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流 电容的 ESR Vo IL 40 x1 1 33 O 3 另外 为满足输出纹波电压相对值的要求 滤波电容量应满足 根据计算出的 ESR 值和容量值选择电容器 由于低温时 ESR 值增大 故应按低温下的 ESR 来选择电容 因此 选用 560 F 50V 以上频率特性好的电解电容可满足要求 3 5 外补偿网络外补偿网络 UC3842 误差放大器的输出端脚 l 与反相输入端脚 2 之间外接补偿网络 Rf Cf Rf Cf 的取值取决于 UC3842 环路电压增益 额定输出电流和输出电容 通过改变 Rf Cf 的值可 改变放大器闭环增益和频响 为使环路得到最佳补偿 可测试环路的稳定度 测量 Io 脉动 时输出电压 Vo 的瞬态响应来加以判断 图 5 为 Cf 选用 0 0l F 和 470pF 时动态响应控制波形的区别 上冲下降幅度和复位时间 都有差别 3 6 斜坡补偿斜坡补偿 在实用电路中 增加斜坡补偿网络 一般有二种方法 一是从斜坡端脚 4 接补偿网络 Rx Cx 至误差放大器反相输入端脚 2 使误差放大器输出为斜坡状 再与 Rs 上感应的电压比较 二是从斜坡端脚 4 接补偿网络 Rx Cx 到电流感应端脚 3 将在 Rs 的感应电压上增加斜坡 的斜率 再与平滑的误差电压进行比较 作用是防止谐波振荡现象 避免 UC3842 工作不 稳定 同时改善电流型控制开关电压的噪声特性 本文采用方法二 3 7 保护电路保护电路 当 UC3842 的脚 3 电压升高超过 1V 或脚 1 电压降到 1V 以下 都可使 PWM 比较器输出 高电平 造成 PWM 锁存器复位 根据 UC3842 关闭特性 可以很容易在电路中设置过压 保护和过流保护 本电路中 Rs 上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路 当脚 3 达到 1 V 时就会出现限流现象 所以 整个电路中的电感磁性元件和功率开关管不必设计较大的余 量 就能保证稳压电路工作可靠 降低成本 4 结语结语 按以上原理和计算设计丁输入 18V 输出 40V 的 80W 升压 DC DC 电路 整个电路调 试容易 工作稳定 可靠性高 效率达 80 以上 特别是成本低 已应用于实际设备中 另外 可根据具体的电路指标要求 对电路灵活控制 变动 设计出其他的应用电路 。